專利名稱:鑄鐵應力松弛性能測量方法和裝置的制作方法
本發(fā)明屬于鑄鐵工程性能及其測試方法和鑄鐵穩(wěn)定化處理效果檢測。
精密機械用鑄鐵鑄件最重要的技術(shù)要求之一是高尺寸穩(wěn)定性，即零件在使用過程中不發(fā)生隨時間增長而產(chǎn)生尺寸精度變化。鑄鐵零件尺寸不穩(wěn)定的主要原因之一是存在于零件中地內(nèi)應力隨時間不斷松弛并伴隨產(chǎn)生常溫蠕變。對于結(jié)構(gòu)和鑄造工藝一定的鑄鐵零件的尺寸穩(wěn)定性主要取決于鑄鐵材料的抗應力松弛能力，在一定應力作用下鑄鐵的彈性模量以及零件消除應力穩(wěn)定化處理的效果。
目前，對于鑄鐵材料還沒有把應力松弛性能作為一種工程性能提出，更沒有明確的指標、測定方法和裝置以及較完整的數(shù)據(jù)。對于鑄鐵鑄件時效處理消除應力效果也沒有簡單易行、方便可靠的測試方法。
本發(fā)明的目的在于明確提出鑄鐵應力松弛性能作為一種工程性能，規(guī)定其性能指標，標志各種鑄鐵材料的抗應力松弛特點;設計制造一套結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量準確的鑄鐵應力松弛測量裝置;制定鑄鐵常溫應力松弛試驗測量方法;為精密機械設計提供一批鑄鐵應力松弛性能數(shù)據(jù);確立一種鑄鐵件時效處理消除應力效果的測定方法。
本發(fā)明的具體構(gòu)成如下
1、鑄鐵應力松弛性能指標
一確定尺寸的開口環(huán)形試樣，在某一近似恒定應力作用下，在某一段時間內(nèi)應力松弛值為△σi＝σo-σikg/mm2(σo和σi分別為試樣初始及放置某段時間τi后的應力)。應力松弛值△σi與初始應力值σo之比命為該時間內(nèi)的應力松弛系數(shù)，記為Ri以百分數(shù)表示之。即Ri= (△σi)/(σO) ×100%，6個月的應力松弛系數(shù)R6作為鑄鐵應力松弛性能的特性指標，命R6的倒數(shù)為材料的抗應力松弛指數(shù)，記為C。
2、鑄鐵應力松弛測量裝置
本發(fā)明提出的鑄鐵應力松弛測量裝置的一個實施例如圖1所示。其由可調(diào)平的底座〔1〕、立柱〔2〕和剛性較好的橫梁〔3〕組成裝置的框架，上吊桿〔4〕通過鉸接與橫梁〔3〕相連，能自由活動，上吊桿〔4〕下端通過刀口軸(GCr15SiMn淬火)與環(huán)形試樣〔6〕開口上部連接，試樣〔6〕開口下部通過刀口軸與加載機構(gòu)〔5〕相連，刀口軸與試樣孔動配合，用螺絲徑向定位，試樣開口上下方裝配調(diào)零機構(gòu)〔7〕、〔8〕。千分表通過因鋼支架與試樣開口下部連接，在試樣上部裝配平衡重系統(tǒng)〔9〕。圖中〔10〕為加載楔鐵，其材料為GCr15SiMn，淬火，R6≥55，厚度5～15mm，上下面不平行度≤0.004mm，不同重量的砝碼(15kg、10kg、5kg……10g、5g)可加于下吊桿砝碼盤上，試樣〔6〕外形尺寸φ200/φ150×15mm，由φ210/φ140×100mm筒形鑄造毛坯加工而成，試樣等強度部分最大拉應力與載荷Q的關(guān)系為σm≈0.286Qkg/mm2(Q的單位kg)。
裝置加載范圍0.8～60kg，產(chǎn)生最大應力值為17kg/mm2，加載感量5g，測量精度×10%R。
3、常溫應力松弛測量方法
裝配試樣將裝置調(diào)平，選擇相應的加載砝碼和楔鐵，試樣〔6〕經(jīng)清理后，按附圖所示位置裝配于上吊桿〔4〕上，再將下吊桿〔5〕裝配到試樣〔6〕相應位置上，然后將〔7〕、〔8〕和〔9〕裝到試樣上。在裝配過程中防止沖擊試樣，調(diào)平衡重〔9〕的重錘使上下吊桿的刀口軸端面園心處于同一鉛直向下的垂線上。
加載根據(jù)要求試驗應力大小，估算出欲加載量Q，輕輕加載至P′，P′＝Q-(100～500)g，調(diào)整微調(diào)器〔8〕使千分表予壓2mm，記下千分表讀數(shù)d1(μ)，選擇合適厚度楔鐵，使楔鐵在輕微力(100～500g)作用下壓入試樣開口，記下千分表讀數(shù)d2(μ)，然后取下所有砝碼，千分表重新予壓2mm，調(diào)零，重新加砝碼，直至輕輕用力(100～500g)取下楔鐵，記下千分表偏離“O”點的數(shù)值d3(μ)，輕輕加小砝碼至千分表重新歸“O”為止，記下去掉楔鐵后重新加載量g(kg)，并記錄所加砝碼總量P，取下100～200g砝碼，將楔鐵輕輕壓入試樣開口內(nèi)，并盡量保持原來位置，卸掉全部載荷，卸下試樣。
加載量計算;
瞬時加載量
長期試驗初始加載量Q0＝P+P0(P0為裝置下吊桿，微調(diào)器部分總重量)
瞬時塑性變形引起的應力松弛量
△σ′＝σ′0-σ0＝0.286(Q′0-Q0)
放置試驗已具有初始應力的環(huán)形試樣，靜止放置，切勿振動沖擊和生銹，放置時間根據(jù)試驗要求而定。
試樣內(nèi)最大殘留應力值測定將放置一段時間(τi)的試樣，按上述方法裝配在裝置上，千分表予壓2mm并調(diào)零，加砝至能輕輕(100～500g力)取下楔鐵為止，再輕輕加小砝碼使千分表重新歸“0”為止，記下砝碼總量Pi，取下100～200g砝碼重新輕輕壓入楔鐵至原來位置，卸載，取下試樣，繼續(xù)放置試驗。
經(jīng)過時間τi后，試樣中剩余載荷為Qi＝Pi+P0，試樣中殘余應力σi≈0.0286Qi。
應力松弛量及松弛系數(shù)計算經(jīng)過τi時間后，試樣的應力松弛量△σi＝σ0-σi＝0.0286(Q0-Qi)
應力松弛系數(shù)
4、長時間應力松弛的短期試驗判定法
六個月的應力松弛系數(shù)R6作為材料的特性指標，根據(jù)大量試驗確定，5天、15天的應力松弛系數(shù)
，
，測出后，可根據(jù)經(jīng)驗公式推斷六個月的應力松弛系數(shù)
(或
)，K值根據(jù)材料不同略有變化，對于
來說K＝1.5～2.5，對
來說K＝1.4～1.6。
5、利用上述裝置、方法測定各種鑄鐵材料應力松弛特性舉例
時間特性常溫下鑄鐵應力松弛在六個月后變得十分緩慢，設六個月的松弛總量為100%，前5天占～50%，前15天占～70%，前一個月占～80%，前三個月占90%左右。
灰鑄鐵R6與σb的關(guān)系根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)回歸分析后，得到下列關(guān)系式當σb≤25kg/mm2R6＝12.50-0.37σb
當σb＞25kg/mm2R6＝6.12-0.10σb
試驗環(huán)境的影響不同環(huán)境下放置十二個月的松弛系數(shù)R12如下
恒溫室條件下(～20℃)R123.49%
工作室條件下(15～25℃)R123.94%
東北室外露天(-30～+30℃)R126.17%
(鑄鐵成份C 3.83% Si 1.80% Mn 1.03% σb2.4kg/mm2)鑄鐵應力松弛的溫度特性下表為部分試驗數(shù)據(jù)

6、鑄鐵時效處理消除應力效果的測定方法
選擇與處理鑄鐵材質(zhì)相同(或相近)的環(huán)形試樣，在上述應力松弛測定裝置上加載，造成一定的初始應力σ0，選定在5～10kg/mm2已具有初始應力(σ0)的環(huán)形試樣，與鑄件同時進行時效處理，處理后，測定試樣中殘留應力值σ1，計算出應力松弛量△σ＝σ0-σ1，計算出應力松弛系數(shù)
，即為試樣消除應力百分數(shù)，由此判定鑄件消除應力效果。
實例HT20-40鑄鐵環(huán)形試樣，初始應力σ0＝8kg/mm2，不同處理溫度下的消除應力效果如下

本發(fā)明系統(tǒng)全面地提出了精密機械用鑄鐵的應力松弛性能及其測定方法、裝置，提出了一種檢測鑄件消除應力效果的方法，提供了一批這方面的數(shù)據(jù)，本發(fā)明對精密機械材料穩(wěn)定性的研究、精密機械設計以及鑄鐵穩(wěn)定化處理都具有很大的實際意義。
權(quán)利要求
1、一種鑄鐵材料常溫應力松弛性能的測定方法，用開口等強度環(huán)形試樣，用砝碼加載、楔鐵維持其載荷，放置某段時間后，再用砝碼加載法測定出試樣應力殘留量，得到該材料該段時間內(nèi)的應力松弛系數(shù)或得到鑄件熱時效消除應力效果。
2、按權(quán)利要求
1所述測量方法，其特征在于環(huán)形試樣的最大斷面與最小斷面之比大于2。
3、按權(quán)利要求
1所述測量方法，其特征在于采用砝碼加載、100～500g的力壓入楔鐵、卸載、調(diào)零、100～500g的壓力下取出楔鐵、加砝碼直至歸零，得到試樣初始載荷Q。
4、按權(quán)利要求
1所述測量方法，其特征在于楔鐵采用GCr15SiMn，淬火，Rc＞55，厚度5～15mm，上下面不平行度≤0.004mm。
5、按權(quán)利要求
1所述測量方法，其特征在于將試樣靜止平放在試驗環(huán)境中，達到所需試驗時間后，將試樣再用砝碼加載法測出殘留載荷量，得到應力松弛量。
6、按權(quán)利要求
1所述的測量方法，其特征在于用短期試驗判定長時間的應力松弛系數(shù)。采用5天應力松弛系數(shù)
判定6個月的應力松弛系數(shù)R6，其關(guān)系為
，(K＝1.5～2.5)。
7、按權(quán)利要求
1所述的測量方法，其特征在于用與被處理鑄鐵件材質(zhì)相同(或相近)的環(huán)形試樣，加載并維持試樣內(nèi)為一已知應力值(1～17kg/mm2)，與鑄件同爐處理，出爐后測量試樣中殘留應力值，判定該爐鑄鐵件熱時效消除應力效果。
8、一種鑄鐵常溫應力松弛性能測量方法的測量裝置，由試樣、砝碼、千分表、微調(diào)器、框架組成，其特征在于環(huán)形試樣〔6〕開口上部通過吊桿〔4〕自由懸掛于橫梁〔3〕上，試樣開口下部懸掛加載機構(gòu)〔5〕，開口上下分別固定調(diào)零機構(gòu)〔7〕與〔8〕，整個系統(tǒng)用平衡重〔9〕調(diào)整，使之外載荷作用線處于同一垂直向下的直線上。
9、按權(quán)利要求
8所述測量裝置，其特征在于吊桿上部通過萬向鉸接與剛度好的橫梁相連，吊桿下部通過GCr15SiMn淬火刀口軸與試樣連接，軸與試樣孔動配合，螺絲徑向定位。
10、按權(quán)利要求
8所述測量裝置，其特征在于環(huán)形試樣開口下方懸掛加載機構(gòu)，加載用15kg～5g各種砝碼加于吊桿砝碼盤上，加載量0.8～60kg，加載感量5g。
11、按權(quán)利要求
8所述測量裝置，其特征在于調(diào)零機構(gòu)采用微調(diào)器通過因鋼支架與試樣開口下部相連，千分表通過因鋼支架與試樣開口上部相連。
12、按權(quán)利要求
8所述測量裝置，其特征在于通過調(diào)整平衡重錘使外載荷力作用線同處垂直向下一直線上，平衡重加于試樣開口上部，調(diào)整平衡錘位置，使上、下兩刀口小軸端面園心同處于鉛直向下的一條直線上。
專利摘要
本發(fā)明為精密機械用鑄鐵的一種重要工程性能——應力松弛性能的測量方法和裝置。本方法采用大尺寸等強度開口環(huán)形試樣、楔鐵加載。結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量準確，加載范圍0.8～60kg，加載感量5g。在大量試驗基礎(chǔ)上，制定了長期應力松弛量的短期試驗判定法，提供了一批對精密機械設計十分有意義的各種鑄鐵材料的應力松弛特性數(shù)據(jù)。利用該裝置建立了鑄件熱時效處理消除應力效果的快速判定方法，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場檢測。
文檔編號G01N3/20GK85102286SQ85102286
公開日1987年5月20日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者黃述哲, 王志林 申請人:中國科學院長春光學精密機械研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan